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三维物理和治疗计划三维物理和治疗计划•放射治疗的目标就是取得局部的肿瘤控制而减少副作用。•取得这个目标的最佳的方法是给予靶区全部的照射剂量而正常组织的剂量为0。三维物理和治疗计划•只有几种技术可以精确地给予靶区较高的剂量。–近距离照射是一种经受考验的技术，它可以部分地达到这个目标。术中放疗和立体放射治疗是较新的技术，试图达到同样的目标，然而临床使用中会有很多的限制。因此，外照射是放射肿瘤学家使用最多的一种方法，可以治疗绝大多数肿瘤。三维物理和治疗计划•许多年以来，外照射治疗系统取得了很大发展，从千伏特的治疗机到钴60治疗机，再到最近的直线加速器。这种发展取得了较好的肿瘤局部控制，减少了毒副作用，提高了生存率。最新的发展是三维适形放射治疗。三维物理和治疗计划•放射肿瘤学家进入了新的时代，三维（3-D）放射治疗或者三维适形放疗（3-DCRT）时代。–Ｘ光计算断层摄影术（CT）与磁共振影像（MRI）提供了一个癌症病人三维的解剖图，允许放射肿瘤学家更精确地标识瘤体积以及他们与其他危及正常器官的关系。–计算机的功能与可靠性飞快地提高，价格不断降低。三维物理和治疗计划•三维适形治疗并不仅仅是一个补充，代表医疗上的根本变革。–三维适形治疗技术讲究根据疾病和正常解剖的范围作个体化治疗。–CT模拟机和三维治疗计划系统过程可以执行有效的模拟、体积剂量计算、剂量传递和验证。使用它们可以提高三维治疗水平。–为了解决实时治疗时病人和内部器官的移动问题，该过程要求提高病人的摆位系统。三维物理和治疗计划•通过发展全计算机控制的射野调强技术，剂量传递系统可以实现自动化。•执行治疗验证可以使用强有力的记录－验证系统、在线的电子入射影像设备、以及有ＣＴ功能的带自动影像登记软件的多重静态X光摄影设备。•所有相关的成分都可以集成进一个综合计划－治疗传输－验证系统的网络里，同时使用电子病历代替病人的纸病例。三维物理和治疗计划•显然，这个新的时代有改善治疗比和提高治疗效率的能力。三维治疗计划系统的发展1•日本的Takahashi、美国的Proimos,Wright,和Trump等的小组首先提出了适形治疗的方法。•七十年代，有几个中心实行了计算机控制的放射治疗。–Kijewski等在HarvardMedicalSchool以及Davy等在伦敦的RoyalFreeHospital进行了钴－60循迹扫描项目。三维治疗计划系统的发展2•Sterling等首先在治疗计划系统上做到了三维的逼近（剂量计算和显示）。–通过计算机产生的环状线给出全部治疗体积内所有相关解剖结构的三维观察，并计算的剂量分布（用二维的颜色）。–这种努力并没有导致将三维治疗计划系统应用到临床，只是将它作为简单的演示项目。三维治疗计划系统的发展3•RhodeIslandHospital,BrownUniversity的McShan等迈出了在使用适应于临床的三维治疗计划系统方面迈出了真正的第一步，他们的系统基于一种新的显示模型，叫作射野方向观视（beam'seyeviewBEV）。•BEV提供给治疗设计者一个从放射源沿着放射线的轴方向透视的图像，与从模拟机拍摄的模拟片类似。三维治疗计划系统的发展5•BEV是3DRTP的基石三维治疗计划系统的发展6•１９８３年，Goitein等提供高质量的彩色BEV显示，并且可以计算和显示数字化重建X光片digitallyreconstructedradiographs（DRR）。–这是三维适形治疗实践必备的工具三维治疗计划系统的发展7•从CT片中计算出DRR图。•DRR可与模拟片及验证片相比较。三维治疗计划系统的发展8•前列腺癌病人的DRR图。显示出直肠、GTV、PTV与射野孔径。三维治疗计划系统的发展9•在１９８６年，华盛顿大学发展了一种不成熟的实时“房间观视”（room-view）显示功能。三维治疗计划系统的发展10•实时RVD显示肺癌治疗多射野配置以及外轮廓、脊髓、PTV。可帮助计划设计者更好地“欣赏”射野的计划设置。三维治疗计划的步骤1•三维适形放射治疗意味着使处方剂量和靶体积非常适形，同时降低正常组织的剂量。•以下讨论他的过程。三维治疗计划的步骤2•预设计和定位•三维计划的计算机断层扫描图•主要结构、肿瘤、和靶体积的描绘•设计射线和射野形状•剂量计算•计划优化和计划评估•治疗文件•计划和治疗验证三维治疗计划的步骤预设计和定位•确定病人的治疗位置，并制作固定设备。–该任务可以在传统的放疗模拟机上完成，但是现在更有特色的是，在CT模拟机上完成。在病人体表放置射线透不过的标志点，它和固定设备一起使用可以帮助确立三维计划CT扫描的位置。•回顾CT图，并调整病人序列。•返回三维治疗计划的步骤三维计划的计算机断层扫描图•病人按放射治疗的体位在CT模拟机做测定体积的计划ＣＴ。CT扫描的草案根据病灶的位置不同，典型的范围是２-8mm厚，50-100个层面。通过网络将ＣＴ图像传送给三维治疗计划系统或虚的模拟计算机工作站。•返回三维治疗计划的步骤主要结构、肿瘤和靶体积的描绘•由治疗计划设计员和放射肿瘤学家共同完成。可用鼠标和数字化仪手工的描绘结构，有明显边界的结构可以自动的描绘。–的累及结构（例如，神经）要求由放射肿瘤学家划出。返回三维治疗计划的步骤设计射线和射野形状•三维治疗计划系统有能力模拟所有的治疗动作，包括准直器和床的角度，也提供了设计非共面射野的能力。•BEV显示用于选择光学射野的方向和设计射野的孔径。•房间观看显示用于设置等中心位置和合适的多野治疗技术。返回三维治疗计划的步骤计划优化和计划评估•三维适形放射治疗的计划是这样优化的：反复改变射野的方向和孔径、计算剂量分布直到获得最优化的计划。•通过剂量显示工具，例如剂量体积直方图、二维剂量线和三维等剂量面来评估计划。•需要的话，改变射野参数，重新计算并评估剂量分布。直到放射肿瘤学家认为该计返回三维治疗计划的步骤治疗文件•文件包括射野参数设置、给模室的挡块模板拷贝或通过计算机网络传寄的多野准直器参数，它控制治疗机的多叶光栏系统。返回三维治疗计划的步骤计划和治疗验证•使用模拟机确认片、第一天的治疗验证片、体内测量和记录验证系统以确保三维治疗的有效性和精度。•返回使用GTV、CTV、PTV观念•物理治疗计划过程依赖于三个体积（GTV、CTV和PTV）的描绘和靶剂量的规定。他们必须由放射肿瘤学家指定，而不依赖于剂量分布。•GTV按照病人的解剖•CTV按照病人的解剖或在GTV增加一定的边界，•PTV在CTV上增加一定的边界以解决位置的不确定。使用GTV、CTV、PTV观念•最典型的情况是，使用测定体积的CT扫描来决定GTV、CTV和危险器官。•在某些部位MRI可能是决定GTV边界的更好的方法。•影像相关软件发展很快，将来的发展趋势是使用多种影像来更精确的定义GTV边界。使用GTV、CTV、PTV观念•图象扫描必须在病人的治疗位置执行，使用可靠的病人固定装置。•在CT影像上放置射线透不过的基准标志，作为计划和最终的治疗执行传输坐标系统。使用GTV、CTV、PTV观念•三维计划的ＣＴ扫描草案依赖于肿瘤的位置，–典型的要求是：层厚范围2－10mm，影像50-100个。•螺旋CT的引入可以使数据集可以达到二百个层面之多，如此大的数据集大大的提高了DRR的质量，不过，要描绘的轮廓和对数据储存的要求也提高了。使用GTV、CTV、PTV观念•描绘GTV时，使用合适的CT窗高和窗平很重要，它可以充分考虑潜在的肿瘤病灶，以便划出最大的范围。使用GTV、CTV、PTV观念•描绘GTV时，使用合适的CT窗高和窗平很重要，它可以充分考虑潜在的肿瘤病灶，以便划出最大的范围。•定义CTV更加困难，必须依靠放射肿瘤学家的临床经验判断，因为目前的影像技术不能用来直接诊断亚临床病灶的累及。使用GTV、CTV、PTV观念•大多数的放射肿瘤学家不太熟悉使用轴向的CT层面来定义靶区和正常组织，所以在三维适形治疗的早期有必要请诊断医师来帮助。使用GTV、CTV、PTV观念•计划靶区应该由放射医师和放射肿瘤物理师协商确定，也依赖于临床的经验。–虽然有报导研究了某些部位（如，前列腺）的不确定性，但对大多数部位仍缺乏内部器官运动以及摆位误差的数据。使用GTV、CTV、PTV观念•确定计划靶区时，放射肿瘤学家必须了解位置不确定的不均匀特点。–例如，现在已认识到，前列腺器官的运动以及每日的摆位误差是各向异性的（病人的侧向和旋转运动与前后方向似乎不同）。因此，围绕着临床靶区的计划靶区边界一般是不统一的。使用GTV、CTV、PTV观念•计划靶区与正常组织轮廓重叠时，就会产生麻烦，涉及到计算剂量体积直方图时象素应该分配给哪一个体积。使用GTV、CTV、PTV观念•我们必须清楚地认识到计划靶区概念将计划靶区内所有点都视为和临床靶区一样总是会发生，这在实践上显然不可能。•可否计算剂量时将位置不确定性的概率统计包括在内？3DRTP的多种影像数据融合•CT是最主要的影像数据来源。3DRTP的多种影像数据融合•为什么要将多种影像融汇到3DRTP中？–MRI提供优质的软组织对比，可精确的描绘正常组织结构和治疗体积的轮廓–单光子发射计算机断层扫描影像SPECT和正电子发射断层扫描影像PET影像提供关于组织新陈代谢和放射性同位素传输的详细功能信息。3DRTP的多种影像数据融合•为什么要将多种影像融汇到3DRTP中？–然而，这些类型的影像不能提供基于ＣＴ的三维治疗计划系统所需的必要的几何和物理信息。•例如身体组织的电子密度和电子碰撞本领，不能反映骨头与空气的分界。•这些信息对病人的剂量计算以及设计塑造射野形状的补偿器和调节器非常必要。3DRTP的多种影像数据融合•治疗计划中使用的MR、SPECT或PET影像必须已登记并融进治疗计划的CT数据中。•这要求作三维的数据转换，将这些特殊影像的坐标与计划CT的坐标联系起来。已经发展了各种定量方法来确定转换参数，包括点匹配、直线或曲线匹配、表面匹配和体积匹配。三维剂量计算算法•传统的剂量计算方法基于在标准情况下测量水体模所得的参数剂量分布，临床使用时，要依据不规则的表面轮廓或者射线的斜入射、组织不均匀性以及射野修正器（如挡块、楔形板和补偿器等）作修正。•在过去的十年中，已发展几种更先进的算法，例如卷积算法，使用最原始数据计算剂量，仅仅使用有限的测量数据以获得最佳的匹配模型。三维剂量计算算法•使用复杂的人体解剖结构代替标准的几何情况时，剂量分布会发生转变。–这是由于原始光子和散射光子释放能量的变化，光子线与物质相互作用产生次级电子的能量沉积的改变。三维剂量计算算法•不均匀修正比病人表面修正复杂得多。–包围一点的低密度组织，例如肺，提高了原射线的通量，倾向于提高原射线剂量和散射线剂量。然而，由于缺少来自低密度区域的散射通量，散射剂量会减少。•组织介面会引起电子平衡的混乱。–例如，与均匀的组织相比，靠近射野边缘的低密度会导致更多的电子离开射野。这会导致射野内剂量变低，射野外剂量变高。•高原子数目的组织例如头骨会干扰电子的通量及他们的射程。三维剂量计算算法•在低能量时，由于原射线和散射线的干扰引起的变化更应值得注意。–射线穿过低密度物质时，通常穿透会增加，剂量也就会提高。穿过密度高于水的物质时情况刚刚相反。–然而，剂量分布的改变被散射剂量的减少或增加所中和。•例如，10cm的肺组织，对60Co射线和６MV的X射线，剂量会提高15％，对15MV的X射线，仅仅提高5％。三维剂量计算算法•较高能量的光子射线，由于散射电子的能量和射程的增加，次级电子的影响值得注意。由于电子穿过的距离有限，剂量的改变常常局限在不均匀的组织附近，但是会非常大。–例如，在肺和气腔边缘附近，剂量的减少会大于15％。对密度大于水的不均匀组织，由于会产生更多的电子，局部剂量会增加。然而，大多数高密度的组织原子序数都高于水，最终的剂量扰动是混合了电子的多重库伦散射的影响。在骨组织与水样组织介面附近，会出现剂量热点和难点剂量体积直方图DVH•评估三维适形治疗计划时，需要分析大量的剂量学数据，这些提示我们发展